具有自主导航能力的高压输电线路无人机巡检系统设计

宋旅宁

摘  要：该文介绍了目前高压输电线路巡检的主要方式，并分析了各种巡检方式的优缺点。针对目前无人机巡检主要依赖人工操控的问题，提出了一种具有自主导航能力的高压输电线路无人机巡线系统。该系统部署方便灵活、成本低、续航能力长，线路监测实时性好，具有较强的自动化和智能化作业能力，能够有效提升无人机巡检作业的效率。

关键词：无人机  高压输电线  自主导航

中图分类号：TM755   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（c）-0009-03

近年来，随着中国电力发展步伐不断加快，中国电网也得到迅猛发展，电网系统运行规模不断扩大，形成了完整的长距离输电线网。高压输电线路是电网的重要组成部分，是负责电厂与变电站、变电站与变电站之间电力传输和分配的主要电力设施。高压输电线路的输送容量大，在电网中的地位非常重要，一旦出现安全事故对经济影响非常大，因此需要很高的安全运行可靠性。

高压输电线路大多建设在室外地区，其分布点多面广，多位于远离城镇、地形复杂、环境恶劣的自然环境中，电力线及杆塔附件长期暴露在野外，诸如导电线、塔杆和线路基础等容易受到外界环境因素的影响，出现断股、磨损、腐蚀等损伤，一旦出现故障就会威胁电网的稳定运行，从而带来极大的经济损失和严重的社会影响。电力企业为了能够全面、准确地掌握线路的运行状态，需要投入大量的人力、物力来对输电线路进行定期巡视检查，随时了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况，及时掌握其运行状态，发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。

传统的高压输电线路人工巡检方法是依靠巡检工人沿输电线路巡查，直接用人眼目测方式进行观测，检查电力线及附件的外形和工作状态。由于高压输电线路多处于交通不便、条件艰苦的区域，特别是山区和跨越江河的输电线路。这种人工巡检方式不仅工作量大，巡检周期长，效率低，在一定程度上影响输电线路的及时维护，给输电系统带来了安全隐患。因此，对于电力企业来说，采用自动化智能化的设备对高压输电线路进行监测，能够明显提升输电线路所处状态的监控能力，及时发现和解决线路存在的问题和缺陷，维护电网的稳定运行。常见的自动化高压输电线路监测方式包括基于智能摄像机的在线监测系统、移动机器人巡检、无人机巡检等。

基于智能摄像机的在线监测系统通过全天候对视频监控系统实时分析的方式，在线预警输电线路附近的施工状况，对大型施工机械违章超高作业行为实时抓拍照片，及时制止危险作业。该种高压输电线路监测方式能够有效解决输电线路附近施工项目较多的情况下，人工现场监护施工行为的方式效率低下以及传统的无线视频监控装置对施工现场缺乏智能预警的能力，及時发现违章施工作业中大型施工机械的外力破坏问题，大幅度降低因外力破坏引起的停电事故，减少由此带来的经济损失，同时更加合理有效地配置人员，保障线路的安全运行。基于智能摄像机的在线监测系统非常适用于城市或城郊等环境下需要对输电线路区域进行7×24h监控的场景，但对于远离城镇的高压输电线路，其遇到施工机械违章超高作业等外力破坏的可能性非常低，广泛部署基于智能摄像机的在线监测系统成本投入较大，投入产出比不高（见图1）。

移动机器人在架空电力线路上巡检自20世纪80年代开始展开研制，目前国内外都相继开发了不同用途的巡线机器人，并取得了较大的进展，尤其是可在两个塔杆之间巡检的机器人，已达到产品化的程度[1]。日本、美国和加拿大等国公司都推出了各自的线路巡检机器人系统。国内武汉大学、山东大学和中国科学院自动化研究所也进行了巡线机器人的研究工作，并研制出多种巡线机器人样机，利用机器人携带的摄像装置或红外热像仪等检测装置，实现输电线路的检测与巡视，并将检测到的数据和图像信息经过无线传输系统发送到地面基站。采用移动机器人进行高压输电线路的巡检，主要问题是在机器人所需要面对的复杂运动场景。输电线路不仅存在着支撑杆塔，而且还存在着多种线路附件构成的障碍物，如防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和绝缘子等。因此具有越障功能的巡线机器人一直是该领域研究的重点，为了实现在柔性输电线上行走并跨越障碍物，需要复杂的机器人控制行为规划，增加了控制电路设计及运动控制的难度。这也大大制约了巡线机器人的产品成熟度和其推广应用的范围（见图2）。

1  具有自主导航能力的高压输电线路无人机巡检系统

具有自主导航能力的高压输电线路无人机巡检系统包括无人机、决策与控制模块、双目视觉模块和实时追踪与监测模块。其中，无人机是整套系统的“身躯”，负责系统的运动，并承载其他功能模块;决策与控制模块是整套系统的“大脑”，对无人机的飞行轨迹进行自主控制;双目视觉模块是整套系统的“眼睛”，对无人机所处的环境进行感知，对无人机巡检路径上的障碍物进行检测;实时追踪与监测模块则用来实现输电线路的跟踪与监测功能。

该系统通过GPS卫星定位系统设定无人机的巡检路径。在巡检路径上，无人机依靠自身配备的双目视觉模块感知巡线路径上的障碍物，自主进行障碍物躲避，同时对所采集的视频数据进行实时分析，对高压输电线路进行实时追踪，避免GPS定位偏差造成监测目标丢失。

1.1 无人机平台

无人机是一种无人驾驶的且能够重复利用的可搭载检测设备的空中飞行器，具有部署方便灵活、远程监控实时性好、人工成本低、续航能力长等优点。目前在高压输电线路巡检中应用的无人机主要是固定翼无人机和多旋翼无人机。这两类无人机在实际应用中都取得了良好的效果。

该文提出的无人机巡检采用多旋翼飞行器。多旋翼飞行器通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生上升推力;通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的前后移动、左右移动、悬停、爬升和降落。多旋翼飞行器结构简单，后期维护方便;起降灵活，只需要空旷平整的场地就可进行垂直起降;操控简单，可悬停和低速飞行，可完成近距离、低速运动或长时间保持同一视角的观测任务，非常适合航拍和监测任务（见图3）。

1.2 决策与控制模块

决策与控制模块用来控制无人机的移动方向和高度，同时根据来自双目视觉模块返回的前方障碍物信息，自主决策并调整无人机的速度与高度。该模块同时配备有GPS设备，用来实现无人机巡线路径的预先设定。在线路巡检过程中，随时根据GPS定位情况，调整无人机的运动方向。该方式可以极大地提高线路巡查的效率，有效减少线路巡检人员的工作量。

由于民用版本的GPS卫星定位系统只能提供100m的定位精度，对于输电线路的实时监测要求存在较大的偏差，因此还需要对输电线路进行实时追踪，并根据追踪结果对飞行位置进行细微调整，避免GPS定位偏差造成监测目标丢失（见图4）。

1.3 双目视觉模块

双目视觉模块采用立体视觉技术，可实时构建出双目成像设备前方的三维空间场景，不需要建立障碍物目标样本库即可检测近乎所有物体，并实现碰撞预警，避免了因未识别障碍物而漏报的情况发生。立体相机在逆光、雨雾、夜晚等条件下也能进行高品质的成像，确保系统可以全天候的稳定工作。

立体相机成像分辨率达到1280×720，采用FPGA和嵌入式处理器实时处理数据，功耗小于等于7W，实现了无人机系统对成像设备的高性能低功耗要求。同时，该模块可以实时提供无人机与前方物体距离、碰撞预警的时间、前方物体的相对速度等数据，为控制模块提供决策依据（见图5）。

1.4 实时追踪与监测模块

实时追踪与监测模块完成对高压输电线路的实时追踪和监测。由于原始图像背景十分复杂，并且存在着很多噪声，因此难以直接从中提取高压线，我们的方法是先从原图中提取出轮廓，之后再利用轮廓图识别和提取高压线。

我们利用随机决策森林的结构化学习框架提取图像中轮廓[2]。该方法充分利用了局部图像块中存在的结构信息。给定一个具有结构化信息的图像，将结构化信息映射到离散空间，在该空间上通过随机森林集成学习得到原图的边缘轮廓图像。

提取出轮廓之后就是检测高压线。基于高压线平直的特点，可以采用Hough变换来检测高压线[3]。Hough變换是经典的直线检测方法之一，在车道检测，机场跑道检测等方面应用十分广泛，它的基本思想是将图像空间中的直线通过Hesse法线式变为霍夫空间中的一个点，将原始图像中的直线检测问题转换为寻找霍夫空间中的点，并在累加器空间中寻找峰值的问题（见图6）。

2  结语

随着无人机在我国电网巡检中的应用愈发广泛，针对无人机开展自动化和智能化的高压输电线路巡检研究具有十分重要的意义。该文提出了一种具有自动导航能力的高压输电线路无人机巡检平台设计，具有部署方便灵活、远程监控实时性好、人工成本低、续航能力长等优点，能够有效提升无人机巡线作业的效率。

参考文献

[1] 左岐，谢植，梁自泽，等.巡线机器人的发展与应用[J].机器人技术与应用，2007（2）：37-42.

[2] Piotr Dollar and C. Lawrence Zitnick. Structured Forests for Fast Edge Detection[A].ICCV[C].2013：1841-1848.

[3] 王宣，董慧颖.基于视觉的电力系统高压线提取与识别[J].电子制作，2014（ZX）：165.